DE102004024727B4

DE102004024727B4 - Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102004024727B4
Application number: DE102004024727A
Authority: DE
Inventors: Michael Kuhn; Ralf Budack
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-05-20
Also published as: DE102004024727A1

Abstract

Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil und einem Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillast- und einer Volllastnocke für einen Teillast- bzw. für einen Volllastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillast- und Volllastbetrieb der Einlassschließwinkel bei Volllastbetrieb relativ zum Einlassschließwinkel bei Teillastbetrieb nach spät verschoben ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine Brennkraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Aus dem Stand der Technik sind Brennkraftmaschinen mit einer variablen Ventilsteuerung bekannt, wobei letztere es ermöglichen soll, einen niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Abgasemissionen bei hohen Drehzahlen in einem Hochlastbereich, mittleren Drehzahlen in einem Teillastbereich mit hohem Drehmoment und auch niedrigen Drehzahlen zu erreichen. Zur variablen Ventilsteuerung ist dabei vorgeschlagen worden, die Nockenwelle bedarfsweise radial gegenüber der Kurbelwelle zu verdrehen. Da üblicherweise die Einlassventile von Brennkraftmaschinen von einer Nockenwelle betätigt werden, kann damit der Öffnungs- bzw. Schließwinkel der Ventile beeinflusst werden. Dabei wird die Ventilhubkurve von der Hubkontur des Nockens festgelegt. Durch die Verdrehung der Nockenwelle ist es daher möglich, die Phasenlage der Ventilhubkurve zwischen zwei Einstellungen zu verändern.

Zur Steuerung eines Einlassventils ist ferner aus dem Stand der Technik die Verwendung von zwei Nocken mit unterschiedlicher Hubkontur bekannt. Aus der DE 41 35 965 A1 ist beispielsweise bekannt, eine Leistungsnocke zu verwenden, mit der ein hohes Abtriebsdrehmoment an der Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann sowie ferner eine Sparnocke zu verwenden, mit der ein günstiger Kraftstoffverbrauch ermöglicht wird. Mittels einer Nockenumschalteinrichtung wird in einem vorgegebenen Umschaltbereich eine Umschaltung von der einen auf die andere Nocke vorgenommen. Ohne entsprechende Gegenmaßnahmen stellt sich dabei das Problem, dass verschiedene Zustandsgrößen der Brennkraftmaschine und in der Folge auch das Drehmoment diskontinuierlich geändert werden. Zur Vermeidung einer derartigen Veränderung ist aus der DE 41 35 965 A1 bekannt, die Ansteuerung einer Drosselklappe, die Vorgabe eines Zündwinkels und die Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum zu synchronisieren. Eine derartige Steuerung muss relativ genau erfolgen und erfordert daher einen hohen Aufwand, da andernfalls Drehmomentsprünge mit entsprechenden Beschleunigungen bzw. Verzögerungen im Betrieb der Brennkraftmaschine erfolgen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine sowie eine entsprechende Brennkraftmaschine zu schaffen, mit denen ein drehmomentneutrales Umschalten auf eine relativ einfache Weise realisiert werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil und einem Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillast- und einer Volllastnocke für einen Teillast- bzw. einen Volllastbetrieb für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillast- und Volllastbetrieb wird der Einlassschließwinkel bei Volllastbetrieb relativ zum Einlassschließwinkel bei Teillastbetrieb nach spät verschoben. Ein nach spät verschobener Einlassschließwinkel verursacht eine reduzierte Luftfüllung des Motors und damit erfindungsgemäß die Dämpfung eines Drehmomentsprungs. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei der Umschaltung von einem Teillastnocken auf einen Volllastnocken ein Drehmomentsprung daraus resultiert, dass bei dem Betrieb mit dem Kleinnocken der Motor nahezu entdrosselt, d.h. mit hohem Saugrohrdruck betrieben wird. Bei einer Umschaltung auf den Volllastnocken wird aufgrund des hohen Saugrohrdrucks ohne weitere Maßnahmen kurzfristig ein hohes Drehmoment von der Brennkraftmaschine abgegeben. Zur Reduzierung der Füllung der Brennkraftmaschine bei hohem Saugrohrdruck und einem Betrieb mit dem Vollastnocken wird daher erfindungsgemäß die Füllung des Motors durch einen nach spät verschobenen Einlasswinkel reduziert.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist abgesehen von ihren gattungsgemäßen Merkmalen für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillast- und Volllastbetrieb derartige Teillast- bzw. Volllastnocken auf, dass der Einlasswinkel bei einem Betrieb mit Volllastnocke relativ zum Einlassschließwinkel bei einem Betrieb mit Teillastnocke nach spät verschoben ist. Bei einer derartigen Brennkraftmaschine ist der konstruktive Aufwand zur Gewährleistung eines drehmomentneutralen Umschaltens zwischen Teillast- und Volllastbetrieb geringer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer ersten Weiterbildung erfolgt die Umschaltung zwischen Teillast- und Volllastbetrieb bei niedrigen und/oder mittleren Drehzahlen. Hiermit werden zwei individuell optimierte Betriebsbereiche bei niedrigen und/oder mittleren Drehzahlen bzw. hohen Drehzahlen ermöglicht. Ferner wird damit berücksichtigt, dass insbesondere in einem unteren Drehzahlbereich bei üblichen Viertaktkolbenmotoren ein später Einlassschließwinkel ein verringertes Drehmoment zur Folge hat und damit die erfindungsgemäß angestrebte Reduzierung eines Drehmomentsprunges in besonders hohem Maße ermöglicht wird.

Wenn, gemäß einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung, die Auslegung der Einlassnockenumschaltung in Abhängigkeit zumindest von einem Saugrohrdruck und einem Einlassschließwinkel erfolgt, wird damit eine effektive Optimierungsstrategie angegeben.

In einer weiteren Ausbildungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Teillast- und Volllastnocke unterschiedlich hohe und gegeneinander verschränkte Hubkonturen aufweisen. Die Hubkontur der Teillastnocke ist dabei nicht vollständig innerhalb des Konturverlaufs der Volllastnocke liegend. Die Verschränkung der Hubkonturen führt zu unterschiedlichen Steuerzeiten des Einlassventils im Volllast- bzw. Teillastbetrieb, wie sie sonst durch gegebenenfalls zusätzliche Mittel für eine Phasenverschiebung erreicht werden können. Vorzugsweise erfolgt eine drehmomentneutrale Umschaltung ohne zusätzliche Verschiebung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle, sodass ein mit einem Phasensteller oder dergleichen verbundener Steuerungs- und Bauaufwand eingespart werden kann.

Es ist zweckmäßig, die Einlassnockenumschaltung auf einen entdrosselten Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem zugeordneten hohen Saugrohrdruck bei Betrieb mit Teillastnocke auszulegen.

Ferner ist es zweckmäßig, die Einlassnockenumschaltung derart auszulegen, dass im Bereich des drehmomentneutralen Umschaltens zwischen Teillastnocke und Volllastnocke keine Maßnahmen zur Wirkungsgradverschlechterung erfolgen.

Wenn bei der Umschaltung zwischen Teillastnocke und Volllastnocke nur eine geringe Überschneidung zwischen dem Einlassventil und einem Auslassventil vorgesehen ist, kann erreicht werden, dass eine Veränderung der Verbrennungsparameter aufgrund von interner Abgasrückführung gering bleibt.

Es hat sich gezeigt, dass ein Öffnungszeitraum des Einlassventils im Betrieb mit der Teillastnocke zwischen 50° und 110° bezogen auf den Kurbelwinkel besonders günstig ist. Ferner wird ein Öffnungszeitraum des Einlassventils im Betrieb mit der Volllastnocke in einem Bereich um 210° bezogen auf den Kurbelwinkel bevorzugt. Der Öffnungszeitraum eines Auslassventils liegt vorzugsweise in einem Bereich um 210° bezogen auf den Kurbelwinkel.

Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf den Fall eines Einlassventils beschränkt ist, sondern auch Konfigurationen mit mehreren Einlassventilen umfasst. Die Implementierung des Verfahrens erfolgt vorzugsweise durch ein Computerprogramm, das einem Steuer- und/oder Regelgerät der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die 1 zeigt Ventilhubkurven für ein Einlass- und ein Auslassventil gemäß der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet Anwendung bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, bei der in einem Brennraum eines Zylinders ein Kraftstoff-Luft-Bindegemisch gezündet wird. Eine derartige Brennkraftmaschine umfasst mehrere Zylinder, in deren Brennraum jeweils über ein Einlassventil und ein Ansaugrohr Verbrennungsluft zugeführt wird. Zur Bereitstellung des Kraftstoffs ist ein Kraftstoffsystem vorgesehen. Das Ansaugrohr kann durch eine Drosselklappe verengt werden. Einlass- und Auslassventil eines Zylinders werden jeweils von einer Einlassnockenwelle und einer Auslassnockenwelle betätigt. Gegebenenfalls können die Nockenwellen durch Aktoren verstellt werden. Gegebenenfalls erfolgt ferner eine Erfassung der Winkelstellung der jeweiligen Nockenwelle durch einen Sensor. Die Nockenwelle wird von einer Kurbelwelle her angetrieben, deren Winkelstellung und Drehzahl gegebenenfalls von einem Sensor erfasst werden kann.
Zur Steuerung bzw. Regelung der verschiedenen Motorfunktionen ist ferner ein Motorsteuergerät vorgesehen, das Signale von Sensoren für Drehzahl, Drosselklappenstellung, den genannten Sensoren für die Erfassung von Parametern der Kurbelwelle, der Nockenwelle und dergleichen sowie einer Last- oder Leistungsanforderung umfasst.
Erfindungsgemäß ist ein Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillast- und einer Volllastnocke für einen Teillast- bzw. einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Nocken weisen Hubkonturen zur Festlegung des Ventilhubs aus. Dabei wird als Volllastnocke die Nocke mit der Kontur bezeichnet, mit der bei einem Ladungswechsel der für Volllast erforderliche Luftaufwand des Motors zur Verfügung gestellt werden kann. Im Allgemeinen ist der maximale Ventilhub bei Volllast größer als bei Teillast.
1 zeigt zur Veranschaulichung der Erfindung Ventilhubkurven eines Zylinders mit einem Einlassventil und einem Auslassventil. Der Ventilhub in mm ist in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel in Grad dargestellt, wobei für das Einlassventil unterschiedliche Nocken vorgesehen sind. In der Figur sind die Ventilhubkurve, die durch die Volllastnocke erreicht wird, mit VL und mit TL1 bzw. TL2 die Ventilhubkurven, die mit einer ersten bzw. einer zweiten Teillastnocke realisiert werden; bezeichnet. Die Ventilhubkurve des Auslassventils ist mit A bezeichnet.
Aus 1 ist ersichtlich, dass die Ventilhubkurve VL einen wesentlich höheren maximalen Hub aufweist als die Ventilhubkurven TL1 und TL2. Es ist ferner ersichtlich, dass der Schließwinkel des Einlassventils der Ventilhubkurve VL gegenüber dem Schließwinkel der Ventilhubkurven TL1 bzw. TL2 nach spät verschoben ist. Erfindungsgemäß wird hiermit die Füllung des Motors zur Dämpfung eines Drehmomentsprungs beim Umschalten zwischen Volllast- und Teillastnocke reduziert.
Die auf einen Ventilhub von 1 mm bezogenen Einlass- bzw. Auslasszeiten (Öffnungszeiten) von Einlass- bzw. Auslassventil gemäß 1 sind vorzugsweise in einem Bereich von 208°, 110° und 50° bzw. 210° bezogen auf den Kurbelwinkel.
Die in 1 dargestellten Ventilhubkurven entsprechen Teillastnocken bzw. Volllastnocken mit Hubkonturen, die – anders als im Stand der Technik üblich – gegeneinander verschränkt sind. Dem entsprechend liegen die Ventilhubkurven TL1 und TL2 nicht innerhalb der Ventilhubkurve VL. Das Einlassnockenumschaltsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist also derart ausgebildet, dass die Hubkontur der Teillastnocke nicht vollständig innerhalb der Kontur der Volllastnocke liegen muss. Bei einer Umschaltung von dem Teillastnocken auf den Volllastnocken wird damit automatisch eine Steuerzeit mit dem Volllastnocken eingestellt, die aufgrund eines sehr späten Einlassschließwinkels zu geringen Füllungen bei hohem Saugrohrdruck führen. In der Regel erfolgt die Umschaltung bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen, bei denen sehr späte Stellungen des Volllastnockens eine starke Reduzierung der Motorfüllung verursachen. Daher ist eine derartige Maßnahme geeignet, einen Momentensprung bei einer Umschaltung zwischen einer Teillastnocke und einer Volllastnocke und umgekehrt deutlich zu reduzieren, ohne dass dabei wirkungsgradverschlechternde Maßnahmen ergriffen werden müssen, d.h. die Umschaltung erfolgt wirkungsgradneutral.

Claims

Verfahren zum drehmomentneutralen Umschalten einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil und einem Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillast- und einer Volllastnocke für einen Teillast- bzw. für einen Volllastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillast- und Volllastbetrieb der Einlassschließwinkel bei Volllastbetrieb relativ zum Einlassschließwinkel bei Teillastbetrieb nach spät verschoben ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung zwischen Teillast- und Volllastbetrieb bei niedrigen und/oder mittleren Drehzahlen erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in Abhängigkeit zumindest von einem Saugrohrdruck und einem Einlass-Schließwinkel ausgelegt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teillast- und Volllastnocke unterschiedlich hohe gegeneinander verschränkte Hubkonturen aufweisen, wobei die Hubkontur der Teillastnocke nicht vollständig innerhalb der Kontur der Volllastnocke liegt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentneutrale Umschaltung ohne zusätzliche Verschiebung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mit Teillastnocke eine Entdrosselung der Brennkraftmaschine mit einem zugeordneten hohen Saugrohrdruck erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb im Bereich des drehmomentneutralen Umschaltens zwischen Teillastnocke und Volllastnocke ohne Wirkungsgradverschlechterung erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein geringer Überschneidungsbereich zwischen Einlassventil und Auslassventil gewählt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitraum des Einlassventils im Betrieb mit Teillastnocke zwischen 50° und 110° bezogen auf den Kurbelwinkel beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, der Öffnungszeitraum des Einlassventils im Betrieb mit der Volllastnocke in einem Bereich um 210° bezogen auf den Kurbelwinkel liegt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitraum des Auslassventils in einem Bereich um 210° bezogen auf den Kurbelwinkel liegt.
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Einlassventil und einem Einlassnockenumschaltsystem mit einer Teillast- und einer Volllastnocke für einen Teillast- bzw. Vollastbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass für ein drehmomentneutrales Umschalten zwischen Teillast- und Vollastbetrieb der Einlassschließwinkel bei einem Betrieb mit Volllastnocke relativ zum Einlassschließwinkel bei einem Betrieb mit Teillastnocke nach spät verschoben ist.